CN111961447B - 一种可压缩金属热界面材料的制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种可压缩金属热界面材料的制作方法，其中所述可压缩金属热界面材料的制作方法包括以下步骤：首先加工直径为0.005～0.1mm的金属纤维，再通过纺纱工艺把金属纤维纺制为截面纤维根数为5～40根的金属纱线，采用编织或针织工艺，把金属纱线织造为厚度为0.2～1.6mm的金属织造布热界面材料，或者采用气流成网、针刺加固的工艺把长度为30～80mm、直径为0.005～0.05mm的短金属纤维加工为厚度为0.05～2.0mm的无纺金属布热界面材料，其中所述金属织造布和无纺布热界面材料的横截面方向上所包含的金属纤维根数为5～40根。

Description

一种可压缩金属热界面材料的制作方法

技术领域

本发明涉及用于电子封装的热界面材料，尤其涉及一种金属热界面材料的制作方法。

背景技术

5G网络是指第五代无线网络。目前，5G网络传输速率已成功在28GHz波段下达到了1Gbps，未来5G网络的传输速率甚至可达10Gbps，其数据处理量是4G的10～100倍，如此海量数据的接收、处理和发射都使射频芯片、基带芯片、CPU、GPU和神经网络芯片等各类芯片的运算量急剧增大，导致芯片功耗激增。芯片功耗的激增直接导致其发热量剧增，这就对芯片封装热管理材料的散热性能要求越来越高，可以说，热管理材料是制约5G发展的瓶颈之一。又如，半导体激光芯片是一种功率芯片，功率从500W～8000W不等，芯片发热量大，也需要高效的热管理材料。

热界面材料(Therm Interface Materials，TIM)是热管理材料的一种，具体是指填充在芯片和散热器之间，或者散热器与热沉之间的界面连接材料，其主要作用是减小界面热阻，提高传热效率。填充在芯片和散热器之间的热界面材料一般称为TIM1，填充在散热器和散热器之间的热界面材料称为TIM2。散热器与芯片均为刚体，二者直接接触时，由于表面平整度和粗糙度等问题，其接触部分仅为少数凸起位置的接触，大部分表面之间存在间隙，这些间隙中间充满空气，而空气的热导率极低，只有0.02W/(m·K)左右，由此，间隙使得热量难以从芯片充分传导至散热器，很容易导致芯片过热。

而芯片的最佳工作温度一般要求低于70℃，实验表明，温度每升高10℃，芯片的失效率就会翻一倍。因此，随着5G芯片和功率芯片的发展，市场迫切需要一种高热导率、低界面热阻的热界面材料。

传统热界面材料主要有导热膏(Thermal Grease)、导热垫(Thermal Pad)、相变导热材料(Phase Change Materials)、导热凝胶(Thermal Gel)、导热黏胶(ConductiveAdhesive)、钎焊料(Solder)和导热带(Thermal Tapes)等。

导热膏这是一种粘稠状液体，具有较强的粘性，其基材主要成分是硅油或者非硅质的高分子聚合物，为提高热导率，在其中填充AlN、ZnO、Al₂O₃、SiC、铝粉、银粉、石墨粉甚至金刚石粉末等，市售导热膏热导率一般在0.4～4W/(m·K)之间，导热膏厚度一般为20～100微米。其缺点是使用过程中会产生溢出和相分离，有严重的泵出效应(Pump-out Effect)，所谓泵出效应，是指在温度变化过程中，由于热胀冷缩效应，散热器和芯片会产生微小的往复变形，这种微小的往复变形会导致导热膏被挤出，从而导致散热器和芯片之间接触不充分，散热能力下降，热阻升高，随着使用时间的延长，泵出效应会导致导热膏的可靠性大幅度下降，另一方面，因为导热膏是液体，会玷污基体，且导热膏不能重复使用。

导热垫是另外一种常用的热界面材料，它以柔软的聚合物(例如聚硅氧烷橡胶化合物)为基体，再添加高导热填料(例如BN、SiC、Al₂O₃等)，形成具有一定柔软性的固态导热垫，热导率一般为0.8～3W/(m·K)，安装后的厚度一般为200～1000微米。导热垫需要在一定的封装压力才能与基底结合紧密，故柔软性对于导热垫能否填充空气间隙至关重要，但填充材料增加了导热垫的刚性，降低了其柔软性，如果填充材料的填充率过低，其界面热阻又太大，热导率和填充率之间的矛盾严重限制了其整体性能。

导热凝胶是在弱交联的硅树脂中填充铝粉、氧化铝粉或银粉等导热填充料而组成，其初始状态为液态，涂覆在芯片或散热器表面后再经过固化处理后成为固态，能够填充接触表面的间隙，不存在泵出效应问题，但其导热性能低于导热膏，热传导率在1～3W/(m·K)，热界面材料结合层厚度一般为70～250微米。

导热黏胶是在聚合物基体(一般是环氧树脂)中添加导热填料加工而成，一般先做出大面积的双面胶带，再裁切成所需要的尺寸，可直接粘贴在发热元器件表面上，使用方方便，无泵出效应。但缺点是热导率低，其热导率一般低于1W/(m·K)，结合层厚度100～1000微米，环氧树脂固化后有较高的弹性模量，存在与芯片的热膨胀系数不匹配而产生热应力疲劳问题。

相变界面材料具有固液相变吸热特性，并填充高导热填充物来提高其导热性能。相变热界面材料同时具有导热垫和导热膏的优点，在达到相变温度之前，具有良好的弹性和塑性，当温度升高到熔点以上时，发生相变成为液态，从而润湿热界面，具有和导热膏一样的填充能力，能够最大程度地填充界面空隙，并通过相变过程的热量吸收或释放，防止温度急剧上升。其缺点是在由液态转变成固态时容易产生残余热应力，从而影响导热性能，相变热界面材料在相变时容易发生相分离，使填料粒子与相变材料基体分离，稳定性和工艺重现性能较差。常见的相变材料包括有机类相变材料和金属相变材料。有机类相变材料通常以热塑性聚合物为基体(如聚烯烃、硅油、硅橡胶、聚氨酯、低分子量的聚乙烯和丙烯酸脂)，添加低熔点的固体石蜡或多元醇，并添加高导热性能的导热填料制备而成，其中石蜡、多元醇作为主要的相变材料，这类材料热导率小、密度小、单位体积储热能力差。有机类相变材料的热导率一般为0.7～1.5W/(m·K)，结合层厚度20～150微米，由于相变热界面材料在相变温度以上为液态，故仍然有泵出效应。金属镓的熔点不到30℃，且无毒，故金属类相变材料一般基于金属镓，常用的有镓铟和镓铟锡合金，其热导率高，一般为10～40W/(m·K)，结合层厚度20～150微米，由于在室温下呈固态，故这类金属相变材料也称为液态金属，相比于其它热界面材料，液态金属的热导率提高了近一个数量级，但这类室温下呈液态的金属表面张力大，芯片和散热器表面不浸润，难以黏附，另一方面，在往复热应力引起的微变形下，泵出效应严重，最重要的是，镓在自然界储量有限，价格昂贵，难以大规模推广应用。

软钎焊(Soldering)也是电子封装的常用方法，采用低熔点的钎焊料加热熔化后润湿封装元器件，冷却后实现元器件之间的固态连接，所形成的界面热导率较高，一般为20～80W/(m·K)，结合层厚度25～200微米，没有泵出效应。由于对铅的限制使用，目前常用钎料为锡银、锡铜合金，作为热界面材料，其缺点是焊接工艺复杂，需要采用回流焊工艺，焊接过程中易产生热应力而对元器件产生热冲击，此外，由于是固态连接，在使用过程中，由于热膨胀系数不匹配，会产生较大的热应力，这种热应力无法通过热界面材料的自适应压缩或松弛而释放，在芯片和散热器表面产生较大的热应力，可能会产生疲劳裂纹，另一方面，焊接过程中易产生虚焊、桥连等焊接缺陷，且成本较高。

综上可知，现有的热界面材料，除了金属相变材料和钎焊料外，其它热界面材料的热导率均小于5W/(m·K)，而金属相变材料成本高，具有严重的泵出效应，钎焊料的焊接工艺复杂，成本高，不能松弛由于热膨胀系数不匹配而产生的热应力。

鉴于金属材料的热导率远大于其它热界面材料，曾有研究人员尝试采用铜箔、铝箔作为热界面材料，但效果不佳，原因是铜箔和铝箔虽然热导率高，但柔软性差，在轻微的封装压力作用下没有可压缩性，不能自适应芯片和散热器之间高低不平的安装间隙，无法紧密贴合芯片和散热器表面，导致热阻较大，热导率低，故目前市面上没有基于金属材料的热界面材料(液态金属和钎焊料除外)。

总结以上目前常用的热界面材料存在的问题如下：1.热导率低，界面热阻大，热导率最高的是液态金属和钎焊料，但二者均成本高，使用不方便，最常用的导热膏的热导率仅0.4～4W/(m·K)之间，难以把芯片产生的热量及时散出，2.存在泵出效应，导热膏、相变高分子材料、液态金属均存在泵出效应，随着使用时间的延长，导热效率和可靠性大幅度下降；3.有老化问题，导热膏、导热垫、导热凝胶、导热黏胶、相变高分子材料等，均以树脂或聚合物等高分子材料为基体，在长期温度循环热应力作用下，会老化，从而导致导热性能下降，可靠性降低；4.导热垫存在热导率和柔软性之间的矛盾，导热垫在聚合物内添加高导热填料，导热填料多，则柔软性和可压缩性降低，且热导率低，仅0.3～3W/(m·K)；6.易用性差，导热膏、导热黏胶、导热凝胶使用时涂覆在元器件表面，但这些材料一旦涂覆，不易清理干净，也无法重复使用，对于软钎焊法而言，发热元器件形状规格多种多样，回流焊等复杂工艺，成本高。7.成本与热导率之间有难以调和的矛盾，热导率高的液态金属和软钎焊成本高，成本低的导热膏、导热凝胶等热导率低。

鉴于现有热界面材料存在以上问题，新型热界面材料应具备如下性能：1.热导率高，接近或超过液态金属；2.无泵出效应；3.持久耐用，抗老化、耐腐蚀；4.材料柔软，可压缩，能自适应封装间隙；5.简单易用，易于安装，易更换，易清理，可重复使用，便于回收；6.成本低。

现有技术中也出现了一些热界面材料，如美国专利US20070148425A1公开了一种热界面材料。其采用的技术方案是通过在传统的橡胶垫中间填充一层金属编织物。其主要原因在于，橡胶垫具有柔软性和可压缩性，但是强度低，导热率也非常低。而现有的金属编织物的强度高，但是不具有可压缩性。该美国专利通过在橡胶垫内填充氧化锌微粒提高橡胶垫的导热率，填充的金属编织物提高所述橡胶垫的强度，并在一定程度上提高导热率。而这种热界面材料，在被用于导热时，由于氧化锌和所述金属编织物不直接与需要导热的芯片和散热器接触，因此，其导热率还是有限。此外，中国专利ZL201210169313.8也公开了一种导热散热界面材料及其制造方法。其公开的导热散热界面材料为四层结构，即导热散热层、表面保护材料层、胶粘材料层以及基体材料层。虽然其公开了导热散热成可以由金属纤维制成。但是金属纤维由于跟头发一样是一根根的金属细丝。金属细丝确实有一定的热导率，但是其不具有可压缩性。此外，中国专利ZL201210169313.8除了导热散热层之外，还需要表面保护材料层、胶粘材料层以及基体材料层，其虽然具有一定的导热率，但是可压缩性较低。

综上所述，金属材料热导率高，但无法解决金属材料的可压缩性问题，现有技术中的热界面材料大多数都是采用热导率高的金属材料或碳纤维材料与具有一定可压缩性的高分子材料复合而成的，采用的加工工艺是把金属颗粒物或者金属丝作为填充料，填充入橡胶、树脂等具有可压缩性的材料内，由金属材料提供热导率，由橡胶、树脂等提供可压缩性。

为了使金属材料在轻微的封装压力下具有较高的可压缩性，并保持较高的热导率，采用传统的金属熔炼、铸造、轧制工艺难以实现以上目的，本发明提出了采用金属纤维，通过织造或非织造法加工具有特定要求的金属布，从而使金属材料在保持高热导率的同时，具有可压缩性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可压缩金属热界面材料的制作方法，其中采用所述可压缩金属热界面材料的制作方法制成的所述热界面材料，全部由金属材料构成，不需要与高分子材料复合，且其具有高热导率的同时，也具有压缩性。

本发明的目的在于提供一种可压缩金属热界面材料的制作方法，其中通过所述可压缩金属热界面材料制作方法形成的所述金属热界面材料能够用于连接电子产品中的芯片和散热基板、或者连接散热基板与热沉，其中所述热界面材料柔软、在轻微的封装压力下可压缩，从而能够自适应电子产品中各电子元器件之间高低不平的封装间隙，具有较好的导热性能。

为实现本发明以上目的，本发明提供一种可压缩金属热界面材料的加工方法，其中所述金属热界面材料由金属布按照芯片或散热基板的形状裁剪而成，其中所述金属布的厚度为0.05～2.0mm，所述金属布的横截面方向上所包含的金属纤维根数为5～40根。

根根据本发明一实施例，所述金属布中的所述金属被实施为选自由纯铜、纯铝、纯镁、纯铁、铜合金、铝合金、镁合金、钢铁合金中的一种或两种以上的组合。

根据本发明一实施例，金属布采用金属纱线通过织造工艺而成，并且制成的所述热界面材料厚度为0.2～1.6mm，所述织造工艺是指编织和针织，所述金属纱线由众多金属纤维经纺纱工艺成形，单根所述金属纤维的直径为0.005～0.1mm。

根据本发明一实施例，所述金属纱线被实施为选自金属长丝纱线、金属短纤纱线或金属长丝纱和金属短纤纱形成的金属复合纱线。

根据本发明一实施例，单根所述金属长丝纱线截面金属纤维根数为5～40根。

根据本发明一实施例，所述金属长丝纱线制成的所述热界面材料厚度为0.2～1.2mm。

根据本发明一实施例，所述金属纱线采用金属短纤纱线，且制成的所述热界面材料厚度为0.4～1.6mm，单根所述金属短纤纱线截面金属纤维根数为10～40根。

根据本发明一实施例，所述金属纱线由金属长丝纱和金属短纤纱形成的复合纱线制成，其中由金属复合纱线制成的所述热界面材料的厚度为0.3～1.4mm，单根所述金属复合纱线截面金属纤维根数为5～40根。

根据本发明一实施例，所述热界面材料采用短金属纤维通过气流成网、针刺加固的非织造工艺形成，其中形成的所述热界面材料厚度为0.05～2.0mm，其中所述短金属纤维的直径为0.005～0.05mm、且长度为30～80mm。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图得以充分体现。

附图说明

图1示出了本采用本发明所述可压缩金属热界面材料的制作方法形成的所述热界面材料锁边与裁剪示意图。

具体实施方式

以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

结合说明书附图1，依本发明一较佳实施例的一种可压缩金属热界面材料制作方法制作形成的热界面材料在以下将被详细地阐述，其中所述热界面材料被实施为由金属布1构成。根据间隙的大小和实际应用环境的需要，制成的所述热界面材料能够被裁切成预定的尺寸。

优选地，所述金属布10上设有金属锁边线20，设置锁边线的目的在于防止裁剪时散边、脱线，两条相邻的平行锁边线的中间线为裁剪线，金属布被沿裁剪线裁剪为一种可压缩热界面材料。

所述可压缩金属热界面材料的厚度被加工为0.05mm～2.0mm，横截面方向上的金属纤维根数被加工为5～40根，在轻微的封装压力作用下，金属纤维之间相互滑动、错动，从而使本发明的金属热界面材料具有可压缩性，如果横截面方向上的金属纤维根数少于5根，则可压缩性低，如果横截面方向上的金属纤维根数大于40根，则纤维之间的界面热阻过大，会导致金属热界面材料的热导率大幅度下降，故金属布的横截面方向由5～40根金属纤维加工而成，其中所述金属纤维是由纯铜、纯铝、纯镁、纯铁、铜合金、铝合金、镁合金、钢铁合金纤维中的一种或两种以上的组合。

在本发明一个实施例中，所述金属布10采用金属纱线通过织造法而形成。优选地，采用金属纱线织造而成的所述金属布10的厚度为0.2～1.6mm。

为了确保一种热界面材料的热导率，本发明对于织造方式形成的所述金属布的经向紧度、纬向紧度和总紧度有较高的要求。纺织物紧度是指其紧密程度，也称为覆盖系数，是织物中纱线投影面积与织物全部面积之比，紧度大，表示织物紧密，紧度大，表示织物稀疏。织物的紧度分为经线紧度、纬线紧度和总紧度。紧度小于100％，说明纱线之间还有间隙，紧度等于100％，说明纱线之间没有空隙存在，紧度大于100％，说明纱线之间已经相互挤压、甚至重叠，总紧度越大，纱线之间的挤压越严重。对于日常生活所用布料需要一定的透气性和舒适性，故总紧度一般小于85％，例如，日常生活中的平纹布总紧度为60～80％，斜纹布的总紧度为75～85％。

对于本发明所述金属织造布被加工为总紧度大于80％。优选地，通过织造方式形成的所述金属布的经向紧度大于80％，纬向紧度大于50％。如果总紧度小于80％，则形成所述金属布的金属纱线之间的间隙会蓄存较多的空气，会降低一种热界面材料的热导率，故本发明的金属导热垫的总紧度不宜小于80％，纬线主要起与经线交织的作用，在径向紧度大于80％的情况下，纬向紧度大于50％即可，但不宜小于50％，小于50％，会导致所述金属布中的经线之间连接不够紧密，从而降低热导率。此外，采用的所述金属纱线可以选自金属长丝纱线、金属短纤纱线或金属复合纱线。

织造法是指用纱线(经线、纬线)交织或者编织加工织物的方法，包括编织和针织工艺，这是纺织行业常用的工艺。纱线是由纺纱工艺加工而成，纺纱是纺织产业链的第一道工序，是用各种纺织纤维加工成一定细度的产品。纤维是指直径很细，一般低于100微米，而其长度是直径的几百倍乃至数千倍以上，且具有一定柔韧性的材料。纺织纤维可分为长丝和短纤维，长丝的长度可达数百乃至数千米，例如蚕丝，而短纤维长度一般小于200mm，例如羊毛纤维、棉纤维。由纤维制成的细长、柔软且具有一定物理和力学性能的连续长条，统称为纱线。纱线是纱、线的统称，短纤维沿纱条轴向排列加捻而成为单纱，两根或两根以上的单纱或长丝加捻而成股线。

纱线可分为长丝纱线、短纤纱线和复合纱线，长丝纱是由多根长丝并合、加捻在一起的纱线，短纤纱是把短纤维的集合体通过开松、梳理、牵引、加捻等纺纱工序加工而成的纱线，复合纱线是指由短纤纱与长丝纱通过包芯、包缠或加捻复合而成的纱线，纺制纱线是纺纱行业成熟的工艺。

本发明采用的金属纱线由金属长丝、金属短纤维纺制而成，单根所述金属长丝和金属短纤维的直径为0.005～0.1mm，如果单根金属长丝或单根金属纤维直径小于0.005mm，小直径纤维难以制备获得，如果直径大于0.1mm，则柔软性变差，不宜用于加工柔性金属布。

为了确保所述金属布具有一定的可压缩性，当采用金属长丝纱线时，单根所述金属长丝纱线截面金属纤维根数不少于5根。在轻微的封装压力作用下，金属长丝纤维之间可相互滑动、错动，故具有一定的可压缩性，如果构成金属纱线的金属长丝纤维低于5根，则金属纱线压缩性低，最终使得织造而成的所述热界面材料可压缩性低。

另一方面，通过织造方式形成的所述金属布中的所述金属纱线截面金属纤维根数过多，则金属纤维之间存在接触热阻，引起热阻增大，热导率降低，故构成金属纱线的纤维截面根数不宜过多，超过40根后，会引起接触热阻急剧增大，热导率大幅度降低，金属纱线截面金属纤维根数不宜超过40根。优选地，当采用金属长丝纱线织造而形成所述金属布10时，所述金属长丝纱线制成的所述热界面材料厚度为0.2～1.2mm。由于金属长丝纱线强度大，故所述金属长丝纱线可被用以加工形成较薄的所述热界面材料。然而如果所述热界面材料的厚度低于0.2mm，则在织造的过程中金属纱线容易断线。而如果所述热界面材料的厚度大于1.2mm，则所述热界面材料的热阻增大、热导率降低，且浪费材料。

另外，所述金属纱线采用金属短纤纱线时，制成的所述热界面材料厚度为0.4～1.6mm，所述金属短纤纱线截面金属纤维根数不少于10根且不超过40根。所述金属短纤纱线由金属短纤维纺制而成，短纤纱线的纤维之间主要通过摩擦、抱合、扭结、缠绕在一起，如果截面金属纤维根数少于10根，则纱线强度过低。如果超过40根，则纤维之间界面热阻增大，热导率大幅度降低。金属短纤纱线强度低于同直径的金属长丝纱线，但柔软性和可压缩性高于金属长丝纱线，由此，所述热界面材料最低厚度和最高厚度都分别大于所述金属长丝纱线制成的所述热界面材料的最低厚度和最高厚度，厚度低于0.4mm，织造过程中短纤纱线易断线，厚度大于1.6mm，则热阻过大，柔软性降低。

此外，所述金属纱线还可以由金属复合纱线制成，单根金属复合纱线截面纤维根数不低于5根且不多于40根，低于5根，则可压缩性低，超过40根，则界面热阻增大，热导率大幅度降低，其中由金属复合纱线制成的所述热界面材料的厚度为0.3～1.4mm。所述复合纱线的强度由所述金属长丝纱线所占比例而定，强度介于金属长丝纱线和金属短纤纱线之间，故由其加工形成的所述热界面材料的厚度也介于由金属长丝纱线加工形成的所述热界面材料与由金属短纤纱线加工而形成的所述热界面材料之间。

除了织造加工工艺外，本发明的可压缩金属热界面材料的所述金属布可由非织造法加工，采用非织造法加工的金属非织造布，采用直径为0.005～0.05mm、且长度为30～80mm的金属纤维通过气流成网、针刺加工的非织造工艺加工，所述金属非织造布的厚度范围为0.05～2.0mm，透气率小于200mm/s，非织造方式形成的所述金属布的横截面上金属纤维根数不少于10根且不多于40根。

如果非织造方式形成的所述金属布中的金属纤维之间疏松，存在大量的空隙，会导致热导率大幅度下降，与织造方式形成的所述金属布不同，非织方式形成的所述金属布难以用紧度来衡量其紧密程度，故本发明采用透气率来衡量非织造布纤维之间的紧密程度。对于日常生活衣物用布而言，为了保证穿着舒适性，往往需要一定的透气性，但对于本发明的用作热界面材料的金属布而言，透气性大，则意味着纤维之间空隙大，会导致热导率降低，故本发明的金属布要求透气率低。透气性测试按照国家标准进行，在一定压差下，测量一定时间内垂直通过一定样品面积的气流流量。一般衣物用布料的透气性大于200mm/s，对于本发明而言，高透气率意味着热导率的降低，故本发明非织造金属布的透气率需小于200mm/s。

非织造法是指将定向或者随机排列的纤维通过摩擦、抱合或者粘合的方法相互结合而制成片状物、纤网或者絮垫，主要加工工序包括纤网成形和纤网加固，广泛应用于口罩、衣物、床单、吸声、减震、过滤等领域。纤网成形是把纤维加工成松散的纤维网，非金属纤网成形方法主要有湿法成形、熔喷法等，金属纤网的成形方法主要是机械成网和气流成网。机械成网是采用梳理机梳理纤维，制成一定规格和面密度的纤网。气流成网是使纤维在一定的流场中运动，以一定的方式均匀沉积铺层，形成纤网。与机械成网相比，气流成网具有各向同性的特点，故本发明采用气流成网的方式加工金属纤网，获得纤网后，再通过机械加固法使金属纤维相互交缠而加固，获得非织造金属垫。机械加固法主要有针刺法和水刺法。针刺法是采用棱边带有勾刺的针，对蓬松的纤网进行反复针刺，刺针上的勾刺带着纤网里的一些纤维穿过纤维网，使纤维在运动过程中相互交缠，从而起到加固的效果。水刺法是多股高压微细水流对纤网进行往复连续喷射，在水压力作用下使纤维在运动过程中相互交缠而加固。由于水刺法需要后续烘干工艺，加工金属非织造垫时容易氧化，故本发明采用针刺法加工金属非织造垫。

与织造法相比，非织造法加工的金属布更加蓬松、柔软、可压缩性大，故最大厚度可大于织造型金属布的最大厚度，达到2.0mm，但厚度过大，热导率降低，故非织造法加工的金属布的厚度不宜超过2.0mm，本发明采用气流成网、针刺加固工艺，低于0.05mm后，针刺加固工艺难度加大，故厚度不宜小于0.05mm。非织造方式形成的所述金属布的可压缩性靠纤维之间的滑动、错移来提供，如果封装压力方向上纤维根数过少，则压缩性低，故本发明的非织造方式形成的所述金属布在横截面方向上的金属纤维根数不得少于10根，低于10根，则压缩性不能满足热界面材料要求，另一方面，如果超过40根，则热导率低，故金属非织造布的横截面金属纤维根数以介于10到40根之间为宜。

本发明的金属非织造布气流成网工序所采用的金属纤维直径为0.005～0.05mm、且长度为30～80mm，金属纤维直径低于0.005mm，纤维加工成本高，不易获取，直径大于0.05mm，难以气流成网，故其直径以0.005～0.05mm为宜，如果长度小于30mm，金属纤维之间不易缠绕、抱合，长度大于80mm，气流成网时有困难，故其长度以30～80mm为宜。

本领域技术人员应当理解的是，金属材料制成的所述热界面材料的热导率远高于高分子材料和聚合物制成的导热垫。例如，铜的热导率为401W/(m·K)、铝237W/(m·K)、镁148W/(m·K)、纯铁80W/(m·K)、316L不锈钢16W/(m·K)、6063铝合金201W/(m·K)、6061铝合金的热导率为155W/(m·K)、Cu-35Zn黄铜合金(含锌为35wt％)119W/(m·K)、AZ31镁合金96W/(m·K)，而常规热界面材料导热硅油的热导率仅1～5W/(m·K)，聚合物导热垫的热导率为0.8～3W/(m·K)，铜的热导率是聚合物导热垫的130倍，即使采用热导率较低的316L不锈钢，其热导率也达到聚合物导热垫的5倍，故本发明采用金属及合金材料形成的所述金属丝形成的所述热界面材料作为导热垫热界面材料，这就解决了常规聚合物导热垫热导率低的问题。金、银等贵金属价格昂贵，不适宜用作热界面材料，铅等部分有毒金属也不适宜用作热界面材料，常用的材料中，铜热导率高，密度大，但价格稍贵，可在散热要求高的芯片封装中使用，铝热导率高、密度小，价格便宜，可满足一般要求的芯片散热，不锈钢热导率低，密度大，但耐腐蚀性好，故可用作对耐腐蚀性要求高的环境，镁热导率低于铝、密度小、价格便宜，可用作重量敏感的芯片的封装。

虽然金属及合金材料热导率高，但一般呈固态，硬度大，不柔软，在轻微的封装压力作用下不可压缩，即使采用铜箔和铝箔等薄膜材料，也难以紧密贴合芯片和散热器表面，会形成较大的气隙，导致热阻较大。

为了提高金属热界面材料的柔软性和可压缩性，本实施例采用金属纱线通过织造方法或采用金属纤维通过非织造方法形成所述柔性、可压缩金属布，并裁剪为一种热界面材料，所加工的金属垫柔软、有较高的可压缩性，能与芯片和散热器表面紧密贴合，解决了一般金属材料刚硬、无法紧密贴合芯片和散热器表面的问题。

无论是织造法还是非织造法，所采用的原材料都是金属纤维，织造法需要首先把金属纤维纺制为金属纱线，而非织造法直接采用金属短纤维成形。金属纤维的制备技术主要有五种，单丝拉拔法、集束拉拔法、熔抽法、热分解法和切削加工法，其中熔抽法、单丝拉拔法和集束拉拔法能够制备大长度的金属长纤维。单丝拉拔法采用多道模具连续拉拔，所制备的金属纤维表面光滑、线径均匀、尺寸精确，质量较好，但生产效率低，成本高。集束拉拔法把多根金属线材包覆后集中拉拔，能够一次制备多根大长度金属纤维，大幅度提高了金属纤维的生产效率，降低成本，但线径均匀性和表面光滑性低于单丝拉拔法，单根纤维的分离较难。熔抽法利用高速旋转的辊轮从合金熔体中蘸取液态薄层，通过冷却、凝固和自身表面张力的作用而圆化成丝，该方法适用范围广，不但适用于金属和合金，甚至能够制备氧化物和陶瓷纤维，但线径均匀性差，难以制备大长度纤维。切削加工法采用刀具从固态金属上刮削金属纤维，生产效率高，成本低，但只能生产短纤维，纤维弯曲、表面粗糙，线径不一致不均匀。热分解法主要是羰基分解法，主要用于制备铁纤维、镍纤维和铁镍合金纤维，该方法只能制备短纤维，且生产工艺复杂，成本高。目前市售长纤维的生产方法主要有单丝拉拔法和集束拉拔法，短纤维的生产方法主要是切削加工法。市售金属纤维直径从1～100微米不等，把这些金属长纤维或短纤维纺制为金属纱线，即可用于加工本发明的一种热界面材料，以上金属纤维的加工工艺也是工业界的成熟工艺。

综上所述，采用织造或非织方式形成的所述金属热界面材料，具有高热导率、柔软、可压缩的特点，解决了常规热界面热材料热导率低的缺点，解决了金属材料刚硬、在轻微的封装压力下不可压缩的缺点，能够自适应封装间隙。

与现有热界面材料制作方法相比，本发明所述热界面材料制作方法具有如下显著的技术优良效果之一为采用本制作方法加工出了第一款全金属的可压缩热界面材料，采用该制作方法可使金属材料具备可压缩性，不需要把金属材料与高分子材料复合加工；此外，本发明还提升了热界面材料的性能：

1、所制作的可压缩金属热界面材料热导率高，在采用紫铜材质的情况下，其热导率可达96W/(m·K)，是聚合物导热垫的30倍左右，在采用纯铝材质的情况下，其热导率可达46W W/(m·K)，是聚合物导热垫的15倍左右，把常规热界面材料的热导率从数W/(m·K)提升到近百W/m.K，是热界面材料的重大突破；

2、所制作的金属热界面材料柔软、可压缩，能够在安装压力下自适应封装间隙；

3、无泵出效应，由于本发明的热界面材料是固态，不存在液体泵出效应；

4、不会老化，本发明热界面材料采用的金属纤维加工而成，材质为铜及铜合金、铝及铝合金、钢铁合金、镁及镁合金等，持久耐用，不存在高分子材料的老化问题；

5、易用性好，本发明的热界面材料可裁剪为芯片形状，放置在芯片表面即可，简单易用，易于安装，易更换，易清理，并能够重复使用，不会流淌污染芯片；

6、加工工艺成熟，成本低，本发明所采用纺织工业的织造和非织造法进行加工，工艺成熟、方法多样，加工成本低。

7、用户选择范围广，根据所用金属纤维采用的材质不同，本发明的金属导热垫的热导率从5～96W/(m·K)，且耐腐蚀性、密度不同，用户可根据实际需求进行选择。

如下各实施例中示出了采用不同材料的金属丝制成的所述热界面材料的一些性能。

实施例1

采用单丝拉拔法制备出直径为0.06mm的紫铜长纤维，采用纺纱工艺，把长纤维纺制为截面纤维根数为16根的紫铜长丝纱线，采用编织工艺，把紫铜长丝纱线编织形成所述可压缩金属织造布热界面材料，厚度为0.6mm，最大压缩量为50％，根据芯片尺寸对金属布进行缝边，沿缝边线把金属布裁剪为可压缩金属垫。最终测得制得的所述导热垫的热导率为96W/(m·K))。

实施例2

采用单丝拉拔法制备出直径为0.05mm的纯铝长纤维，采用纺纱工艺，把纯铝长纤维纺制为截面纤维根数为5根的纯铝长丝纱线，采用编织工艺，把纯铝纱线编织形成所述可压缩金属织造布热界面材料，厚度为0.2mm，最大压缩量为30％。最终测得制得的所述导热垫的热导率为46W/(m·K))。

实施例3

采用单丝拉拔法制备出直径为0.04mm的316L不锈钢长纤维，采用纺纱工艺把不锈钢长纤维纺制为截面纤维根数为32根的长丝纱线，把长丝纱线编织形成所述可压缩金属织造布热界面材料，厚度为1.2mm，最大压缩量为40％。最终测得制得的所述导热垫的热导率为5.2W/(m·K))。

实施例4

采用切削法制备出直径为0.01mm、长度为30～80mm的316L不锈钢短纤维，采用纺纱工艺把不锈钢短纤维纺织为截面纤维根数为40根的短纤纱线，编织形成所述可压缩金属织造布热界面材料，且所述金属热界面材料的厚度为0.4mm，最大压缩量为45％。最终测得制得的所述导热垫的热导率为5W/(m·K))。

实施例5

采用切削法制备出直径为0.03mm、长度为30～80mm的6063铝合金短纤维，采用纺纱工艺把6063短金属纤维纺制为截面纤维根数为40根的短纤纱线，采用短纤纱线编织形成所述可压缩金属织造布热界面材料，且所述金属热界面材料的厚度为1.0mm，最大压缩量为45％。最终测得制得的所述导热垫的热导率为42W/(m·K))。

实施例6

采用切削法制备出直径为0.08mm、长度为30～80mm的Cu-35Zn合金短纤维，采用纺纱工艺把短纤维纺制为截面纤维根数为20根的短纤纱线，采用短纤纱线编织形成所述可压缩金属织造布热界面材料，且所述金属热界面材料的厚度为1.6mm，最大压缩量为35％。最终测得制得的所述导热垫的热导率为31W/(m·K))。

实施例7

采用单丝拉拔法制备直径为0.05mm的不锈钢长纤维，采用切削法制备直径为0.02mm、长度为30～80mm左右的紫铜纤维，采用纺纱工艺，把不锈钢长纤维和紫铜短纤维纺制为不锈钢长丝纱线和紫铜短纤纱线，然后把二者捻合为不锈钢长丝纱线外包紫铜短纤纱线形成的复合纱线，所述复合纱线截面纤维根数为16根，进一步把复合纱线编织形成所述可压缩金属热界面材料，且所述导热垫的厚度为0.7mm，最大压缩量为30％。最终测得制得的所述导热垫的热导率为26W/(m·K))。

实施例8

采用单丝拉拔法制备出直径为0.03mm的316L不锈钢长纤维和直径为0.02mm的紫铜长纤维，把长纤维纺制为截面纤维根数为5根的不锈钢纱线和截面纤维根数为5根的紫铜纱线，以不锈钢纱线为经线、紫铜纱线为纬线编织形成所述可压缩金属织造布热界面材料，且所述金属热界面材料的厚度为0.2mm，最大压缩量为30％。最终测得制得的所述导热垫的热导率为53W/(m·K))。

实施例9

采用集束拉拔法分别制备出直径为0.1mm的纯铝和6063铝合金纤维，把纯铝纤维和铝合金纤维分别纺制为截面纤维根数为5根的铝合金纱线，以铝合金纱线为经线、纯铝为纬线编织形成所述可压缩金属织造布热界面材料，且所述金属热界面材料的厚度为0.5mm。最终测得制得的所述导热垫的热导率为37W/(m·K))。

实施例10

采用切削法制备出直径为0.02mm、长度为30～80mm的AZ31镁合金短纤维，采用气流成网、针刺加固形成所述可压缩金属非织造布热界面材料，所述非织造金属布截面纤维根数为40根，且所述金属热界面材料的厚度为1.0mm，最大压缩量为60％。最终测得制得的所述导热垫的热导率为16W/(m·K))。

实施例11

采用切削法制备出直径为0.02mm、长度为30～80mm的紫铜短纤维，采用气流成网、针刺加固形成所述可压缩金属非织造布热界面材料，所述非织造金属布截面纤维根数为30根，且所述金属热界面材料的厚度为0.5mm，最大压缩量为50％。最终测得制得的所述导热垫的热导率为87W/(m·K))。

实施例12

采用切削法制备出直径为0.05mm、长度为30～80mm的6063铝合金短纤维，采用气流成网、针刺加固形成可压缩金属非织造布热界面材料，所述非织造金属布截面纤维根数为20根，且所述金属热界面材料的厚度为1.0mm，最大压缩量为50％。最终测得制得的所述导热垫的热导率为35W/(m·K))。

实施例13

采用切削法制备出直径为0.005mm、长度为30～80mm的316L不锈钢短纤维，采用气流成网、针刺加固形成可压缩金属非织造布热界面材料，所述非织造金属布截面纤维根数为10根，且所述金属热界面材料的厚度为0.05mm，最大压缩量为40％。最终测得制得的所述导热垫的热导率为4.9W/(m·K))。

实施例14

采用切削法制备出直径为0.05mm、长度为30～80mm的纯铝短纤维，采用气流成网、针刺加固形成所述可压缩金属非织造布热界面材料，所述非织造金属布截面纤维根数为30根，且所述金属热界面材料的厚度为1.5mm，最大压缩量为50％。最终测得制得的所述导热垫的热导率为45W/(m·K))。

实施例15

采用切削法制备出直径为0.05mm、长度为30～80mm的AZ31镁合金短纤维，采用气流成网、针刺加固形成所述可压缩金属非织造布热界面材料，所述非织造金属布截面纤维根数为40根，且所述金属热界面材料的厚度为2.0mm，最大压缩量为60％。最终测得制得的所述导热垫的热导率为14W/(m·K))。

从上述15个实施例可以看出，采用本发明的可压缩金属热界面材料的制作方法所加工的金属热界面材料的热导率高，紫铜材质的热界面材料可达96(W/m.K)，纯铝材质可达46(W/m.K)，即使导热率较低的316L不锈钢也可达5.2(W/m.K)，这些都大于传统聚合物导热垫的热导率0.8～3(W/m.K)，也大于常用热界面材料导热膏的热导率0.4～4(W/m.K)，本发明的方法克服了传统热界面材料的制作方法难以加工可压缩金属热界面材料的缺点，且能够维持金属材料的高热导率。此外，基于降低成本和提高综合性能的考虑，在织造型金属导热布热界面材料的加工中，经线和纬线可采用不同材质的纱线。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (11)

1.一种可压缩金属热界面材料的制作方法，其特征在于，其中所述可压缩金属热界面材料的制作方法包括以下步骤：以织造的方式将所述可压缩金属热界面材料制成厚度为0.2～1.6mm的金属布，其中所述金属布通过金属纱线织造形成，其中所述金属纱线在所述金属布的横截面方向上所包含的金属纤维根数为5～40根，且所述金属纤维的直径为0.005～0.1mm，其中所述金属布的总紧度大于80％。

2.根据权利要求1所述可压缩金属热界面材料的制作方法，其特征在于，所述可压缩金属热界面材料采用金属长丝纱线制成，其中所述可压缩金属热界面材料的厚度为0.2～1.2mm。

3.根据权利要求1所述可压缩金属热界面材料的制作方法，其特征在于，所述可压缩金属热界面材料采用金属短丝纱线制成，所述可压缩金属热界面材料的厚度为0.4～1.6mm，且其中所述金属布的横截面方向上所包含的金属纤维根数为10～40根。

4.根据权利要求1所述可压缩金属热界面材料的制作方法，其特征在于，所述可压缩金属热界面材料采用金属复合纱线制成，所述可压缩金属热界面材料的厚度为0.3～1.4mm。

5.根据权利要求1所述可压缩金属热界面材料的制作方法，其特征在于，所述金属布的径向紧度大于80%，纬向紧度大于50%。

6.一种可压缩金属热界面材料的制作方法，其特征在于，其中所述可压缩金属热界面材料的制作方法包括以下步骤：以非制造的方式将所述可压缩金属热界面材料制成厚度为0.05～2mm的金属布，其中所述金属布的横截面方向上所包含的金属纤维根数为10～40根，且所述金属纤维的直径为0.005～0.05mm，其中所述金属布的所述金属布的透气率小于200mm/s。

7.根据权利要求6所述可压缩金属热界面材料的制作方法，其特征在于，所述金属纤维的长度为30～80mm。

8.根据权利要求6所述可压缩金属热界面材料的制作方法，其特征在于，所述可压缩金属热界面材料采用金属长丝纱线制成，其中所述可压缩金属热界面材料的厚度为0.2～1.2mm。

9.根据权利要求6所述可压缩金属热界面材料的制作方法，其特征在于，所述可压缩金属热界面材料采用金属短丝纱线制成，所述可压缩金属热界面材料的厚度为0.4～1.6mm，且其中所述金属布的横截面方向上所包含的金属纤维根数为10～40根。

10.根据权利要求6所述可压缩金属热界面材料的制作方法，其特征在于，所述可压缩金属热界面材料采用金属复合纱线制成，所述可压缩金属热界面材料的厚度为0.3～1.4mm。

11.根据权利要求1-10中任一所述可压缩金属热界面材料的制作方法，其中所述金属布中的所述金属纤维被实施为选自由纯铜、纯铝、纯镁、纯铁、铜合金、铝合金、镁合金、钢铁合金纤维中的一种或两种以上的组合。

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